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Dissertação de Mestrado
DOI
https://doi.org/10.11606/D.106.2020.tde-21082020-122129
Documento
Autor
Nome completo
Alessandra Camelo
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Paulo, 2020
Orientador
Banca examinadora
Matai, Patricia Helena Lara dos Santos (Presidente)
Baldani, José Ivo
Camacho, José Luis Pires
Coelho, Suani Teixeira
Título em inglês
Potential of a new seed propagated elephant grass cultivar for lignocellulosic bioethanol production via alkaline pretreatment
Palavras-chave em inglês
biofuel
biomass
cellulose
chemical pretreatment
Pennisetum purpureum
Resumo em inglês
The new elephant grass PCEA (P. purpureum x P. purpureum) was specifically developed to meet Brazilian tropical conditions and is the first seed propagated genotype worldwide to be launched by Embrapa Dairy Cattle (CNPGL). The advancement of lignocellulosic bioethanol in Brazil faces numerous challenges, including efficient pretreatments designed for each raw material. In this context, the effect of alkaline pretreatment on PCEA biomass was evaluated to infer about its potential for lignocellulosic bioethanol. The experimental design approached three factors: NaOH %w/v ranging from 1.0 to 3.0 varying on 0.5 %w/v, Temperature (T) from 80 to 120 varying on 20 °C and Reaction Time (RT) from 15 to 35 min varying on 5 min each. The effect of the factors was evaluated considering the response variables of biomass recovery, cellulose and hemicellulose yield, in addition to lignin removal. The untreated biomass and the 17 samples generated from assays were dried and characterized regarding its composition following NREL protocols. The untreated biomass of PCEA presented 31.79±1.55 %wt. of cellulose, 15.51±0.70 %wt. of hemicellulose and 18.23±0.45 %wt. lignin. The observed ash content of 3.94±0.07 %wt. is also important for bioenergy crops, it is desirable on lower values for energy conversion. In addition, the content of 20.54±0.11 %wt. extractives on PCEA indicates further potential to generate biofuels through thermochemical routes. After the alkaline pretreatment, the highest cellulose yield of 58.59 %wt. was achieved in assay 14 at 100 ºC, 25 min of RT and NaOH 3% (w/v). Contrary to initial expectations, only alkali concentration statistically differed at 95% confidence level analysis for the full quadratic model at a coefficient of determination (R2) of 0.78. In contrast, hemicellulose as response for linear with interactions model was significant at 95% confidence level (p-value 0.022), which suggests that the interaction of the three factors altogether had an effect on hemicellulose yield. The highest hemicellulose yield of 25.52 %wt. was reached in assay 9 at 80 ºC, 25 min of RT and 2 %w/v concentration of NaOH. The alkali alone had a p-value of 0.000 (ANOVA at 95% confidence level), which suggests an effect of this factor on biomass recovery. The same was not true for the square and linear with interactions models that presented p-values of 0.231 and 0.353, respectively. The coefficient of determination (R2) for the full quadratic model was 0.92 and the highest recovery of 67.92 %wt. was obtained at the 1.0 %w/v NaOH, at 100 °C and 25 min (assay 13). In conclusion, the optimal condition of the design was established considering efficiency in means of maximal lignin removal without degradation of cellulose, which was achieved at 100 ºC, 25 RT and 3 %w/v NaOH with 99.03 %wt. recovery of cellulose and 73.76 %wt. of lignin removal. These results suggest an exciting potential of the new PCEA for lignocellulosic bioethanol production via alkaline pretreatment to be further explored by the Brazilian agroenergy sector. However, further studies should be carried out with enzymatic hydrolysis to confirm high yield of fermentable sugar and consequently, bioethanol.
Título em português
Potencial de uma nova cultivar de capim-elefante propagada por sementes para produção de bioetanol lignocelulósico via pré-tratamento alcalino.
Palavras-chave em português
biocombustível
biomassa
celulose
energia renovável
Pennisetum purpureum
pré-tratamento químico
Resumo em português
O novo capim elefante PCEA (P. purpureum x P. purpureum) foi desenvolvido para atender às condições de clima tropical do Brasil, sendo o primeiro genótipo propagado por semente no mundo a ser lançado pela Embrapa Gado de Leite (CNPGL). No Brasil, o avanço do bioetanol lignocelulósico enfrenta inúmeros desafios, incluindo pré-tratamentos eficientes designados para cada matéria-prima. Neste contexto, o efeito do pré-tratamento alcalino foi avaliado para biomassa de PCEA a fim de inferir sobre o seu potencial para bioetanol lignocelulósico. O delineamento experimental analisou três fatores: NaOH %w/v variando de 1,0 a 3,0 em 0,5 %w/v, Temperatura (T) de 80 a 120 variando em 20 °C e Tempo de Reação (RT) de 15 a 35 min variando em 5 min cada. O efeito dos fatores foi avaliado para resposta de recuperação da biomassa, rendimentos de celulose e hemicelulose, além da remoção da lignina. A biomassa não tratada e as 17 amostras geradas a partir dos ensaios foram secas e caracterizadas quanto à sua composição de acordo com protocolos NREL. A biomassa não tratada de PCEA apresentou 31,79±1,55 %wt. de celulose, 15,51±0,70 %wt. de hemicelulose e 18,23±0,45 %wt. de lignina. O teor de cinzas observado foi de 3,94 %wt. (±0,07) deve ser considerado para as culturas bioenergéticas, uma vez que é desejavel em menor quantidade possível para usos energéticos. Além disso, o teor de 20,54±0,11 %wt. de extrativos no PCEA indica um potencial adicional de geração de biocombustíveis através de rotas termoquímicas. Após o pré-tratamento alcalino, o maior rendimento de celulose de 58,59 %wt. foi alcançado no ensaio 14 a 100 ºC, 25 min de RT e NaOH 3% (p/v). Ao contrário das expectativas iniciais, apenas a concentração alcalina diferiu estatisticamente na ANOVA nível de confiança de 95% para o modelo quadrático completo com um coeficiente de determinação (R2) de 0,78. Em contraste, a hemicelulose como resposta para o modelo linear com interações foi significativa ao nível de confiança de 95% (p-valor 0,022), o que sugere que a interação dos três fatores teve efeito sobre o rendimento da hemicelulose. O maior rendimento de hemicelulose de 25,52%wt. foi alcançado no ensaio 9 a 80 ºC, 25 min de RT e 2%w/v de concentração de NaOH. Somente o álcali teve um p-valor de 0,000 (ANOVA a 95% de confiança), o que sugere um efeito deste fator na recuperação da biomassa. O mesmo não ocorreu com os modelos quadrático e linear com interações que apresentaram p-valores de 0,231 e 0,353, respectivamente. O coeficiente de determinação (R2) para o modelo quadrático completo foi de 0,92 e a maior recuperação de 67,92 %wt. foi obtida a 1,0 %w/v NaOH, T of 100 °C e TR of 25 min (ensaio 13). Com isso, a melhor resposta do design considerando a eficiência quanto à máxima remoção de lignina sem degradar a celulose foi observada a 100 ºC, 25 RT e 3 %w/v NaOH com 99,03 %wt. de recuperação da celulose e 73,76 %wt. de remoção da lignina. Estes resultados sugerem um potencial animador do novo PCEA para a produção de bioetanol lignocelulósico através de pré-tratamento alcalino a ser explorado pelo sector agroenergético brasileiro. No entanto, estudos futuros de hidrólise enzimática se fazem necessários, a fim de confirmar o elevado rendimento de açúcares fermentáveis e, consequentemente, de bioetanol.
 
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FINAL.pdf (2.33 Mbytes)
Data de Publicação
2020-08-31
 
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